EP0345701A2 - Verfahren zur Untersuchung der Latch-Up-Ausbreitung in CMOS-Schaltungen - Google Patents

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EP0345701A2
EP0345701A2 EP89110150A EP89110150A EP0345701A2 EP 0345701 A2 EP0345701 A2 EP 0345701A2 EP 89110150 A EP89110150 A EP 89110150A EP 89110150 A EP89110150 A EP 89110150A EP 0345701 A2 EP0345701 A2 EP 0345701A2
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latch
circuit
infrared radiation
measuring points
intensity
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Siemens AG
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
    • G01R31/302—Contactless testing
    • G01R31/308—Contactless testing using non-ionising electromagnetic radiation, e.g. optical radiation

Definitions

  • the invention relates to a method for examining the latch-up propagation in CMOS circuits according to the preamble of claim 1 and to an arrangement for performing the method.
  • latch-up can be recognized by the sudden increase and the maintenance of the supply current, but without identifying the affected circuit parts and improving them by changing the design or technological measures (higher trough and substrate doping, use of a low-resistance epitaxial layer, etc.) to be able to.
  • a number of methods for localizing latch-up-sensitive areas in integrated CMOS circuits have therefore been developed (see, for example, VDI reports No. 659 (1987), pages 381 to 393, Siemens research and development reports volume 13 (1984) no .
  • the invention is based on the object of specifying a method of the type mentioned at the beginning with which the latch-up propagation in CMOS circuits can be investigated with high local and temporal resolution. Furthermore, an arrangement for carrying out the method is to be specified.
  • the advantage that can be achieved with the invention is, in particular, that the latch-up propagation in CMOS circuits can be investigated with high temporal and local resolution.
  • claims 2 to 5 relate to preferred embodiments of the method according to claim 1
  • claims 7 to 9 are directed to further developments of the arrangement for carrying out the method.
  • the latch-up propagation in CMOS devices is investigated by detecting the infrared radiation emitted by the circuit.
  • infrared radiation to register the intensity of the recombination and / or heat radiation (hereinafter referred to briefly as infrared radiation) in succession at a plurality of measuring points which preferably cover the circuit in a grid pattern
  • the scanning laser microscope known from Scanning Vol. 7 (1985), pages 88 to 96, for example, can be used to carry out the method according to the invention, the schematic structure of which is shown in FIG. It comprises a laser source Q (helium-neon laser), a telescope TE for expanding the laser beam LA, an acousto-optical modulator MO, a semi-transparent mirror HS, a deflection unit consisting of two high-precision galvanometer mirrors S1 and S2, a deflection mirror US and an objective lens OL for focusing the laser beam LA on the sample IC, preferably an integrated CM0S circuit.
  • the raster laser microscope is also equipped with a telecentric optic, not shown in FIG.
  • the full opening of the objective lens OL is always used where where the beam spot size on the sample IC is independent of the location of the focus in the plane of the sample surface.
  • the deflection voltages defining the position of the laser beam LA on the sample IC are generated in a high-precision raster generator SG and amplified in a tandem amplifier VTV, the output signals of which are present at the inputs of the control units AS1 and AS2 assigned to the mirrors S1 and S2.
  • VTV tandem amplifier
  • the radiation scattered back into the objective lens OL and decoupled with the aid of the semitransparent mirror HS is detected with a photomultiplier PM, the amplified output signal of which increases the intensity of the write beam from a monitor MO.
  • a video amplifier ZVV is preferably connected upstream of the monitor MO, at whose inputs both the output signal of the photomultiplier PM and the output signals of the tandem amplifier VTV representing the location of the laser beam LA on the sample IC are present.
  • the measurement data (coordinates of the measurement point on the sample IC, intensity of the backscattered radiation, etc.) are usually stored in an image memory BSP assigned to the monitor MO in order to be able to display and evaluate them after the measurement.
  • the scanning laser microscope is additionally equipped with a deflection mirror AS which can be introduced into the beam path (see FIG. 2, in which only the components of the scanning laser microscope which are essential for carrying out the method are shown) with to which the infrared radiation IR emanating from the respective measuring point is coupled out and fed to a detector DT.
  • the position of the measuring point on the sample surface is specified here with the aid of the deflection voltage of the raster generator SG which defines the position of the mirrors S1 and S2.
  • the measuring points are distributed in a grid pattern over the sample surface when the sawtooth-shaped signals shown in FIGS. 3f, g are applied to the control units AS1 and AS2 of the mirrors S1 and S2.
  • the decoupled infrared radiation passes through one out of two
  • a comparator CMP is connected downstream of the detector DT, in which a signal representing the intensity I (t) of the infrared radiation IR is compared with a preferably adjustable threshold value I O.
  • the comparator CMP then outputs a trigger signal to the sample and hold circuit SH connected on the output side to a data input of the image memory BSP when the intensity I (t) reaches the predetermined threshold value I O.
  • the latch-up is periodically triggered and suppressed by the pulsed supply voltage.
  • the probe IC is therefore controlled via a pulse generator PG that generates the latch-up trigger signal, the control input of which has a signal CLK that defines the measuring point change (frequency f AT ⁇ 100 Hz - 1 kHz), for example the internal clock signal of the raster generator SG. is acted upon.
  • the output signal of the pulse generator PG (latch-up trigger signal, see FIG. 3a) is also present at the input of a sawtooth generator RG whose output voltage (see FIG. 3c) is integrated in the sample and hold circuit SH until the intensity I (t ) of the infrared radiation IR (see FIG.
  • the measured value corresponding to the time interval ⁇ is then read into the image memory BSP, the second input of which simultaneously takes over the coordinates of the respective measuring point from the raster generator SG.
  • the invention is of course not limited to the exemplary embodiments described. It is thus readily possible to ignite a parasitic thyristor structure by means of a laser or electron beam directed at a latch-up-sensitive area of the circuit.

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Abstract

Für den Entwickler mikroelektronischer Bauelemente ist die Kenntnis der Latch-Up-Ausbreitung in integrierten CM0S-Schaltungen von entscheidender Bedeutung, um deren Latch-Up-Empfindlichkeit durch Änderungen des Designs oder technologische Maßnahmen verringern zu können. Da die bekannten Verfahren zur Untersuchung der Latch-Up-Ausbreitung nur eine vergleichsweise geringe zeitliche Auflösung besitzen, wird vorgeschlagen, den Latch-Up periodisch auszulösen, die Intensität der von der Schaltung ausgehenden Infrarotstrahlung an mehreren die Schaltung rasterförmig überdeckten Meßstellen abzutasten, an den Meßstellen jeweils festzustellen, innerhalb welcher Zeitspanne τ die Intensität der Infrarotstrahlung einen Schwellenwert erreicht und jeweils einen die Zeitspanne τ repräsentierenden Meßwert ortsabhängig aufzuzeichnen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Untersuchung der Latch-Up-Ausbreitung in CMOS-Schaltungen nach dem Oberbe­griff des Patentanspruchs 1 sowie auf eine Anordnung zur Durch­führung des Verfahrens.
  • In integrierten CMOS-Schaltungen existieren immer parasitäre Thyristorstrukturen, deren Zündung infolge der damit einherge­henden Aufheizung der Strompfade zu einer Zerstörung des Bauele­mentes führen kann. Prinzipiell läßt sich der als Latch-Up be­zeichnete Effekt am sprunghaften Anstieg und der Selbsthaltung des Versorgungsstroms erkennen, ohne allerdings die betroffenen Schaltungsteile identifizieren und durch eine Änderung des De­signs oder technologische Maßnahmen (höhere Wannen- und Sub­stratdotierungen, Verwendung einer niederohmigen Epitaxieschicht usw.) verbessern zu können. Es wurden deshalb eine Reihe von Verfahren zur Lokalisierung Latch-Up-empfindlicher Bereiche in integrierten CMOS-Schaltungen entwickelt (siehe beispielsweise VDI-Berichte Nr. 659 (1987), Seite 381 bis 393, Siemens For­schungs- und Entwicklungsberichte Band 13 (1984) Nr. 1, Seite 9 bis 14 und IEEE/IRPS = International Reliability Physics Sympo­sium 1984, Seite 122 bis 127). Hierbei bietet das aus IEEE/IRPS bekannte Verfahren insbesondere den Vorteil, daß auch die mit konventionellen Flüssigkristalltechniken nicht lokalisierbaren primären Latch-Up-Zentren indentifiziert werden können.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der ein­gangs genannten Art anzugeben, mit dem die Latch-Up-Ausbreitung in CMOS-Schaltungen mit hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung untersucht werden kann. Weiterhin soll eine Anordnung zur Durch­führung des Verfahrens angegeben werden.
  • Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 sowie durch eine Anordnung nach Patentanspruch 6 gelöst.
  • Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, daß die Latch-Up-Ausbreitung in CMOS-Schaltungen mit ho­her zeitlicher und örtlicher Auflösung untersucht werden kann.
  • Während die Ansprüche 2 bis 5 bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens nach Anspruch 1 betreffen, sind die Ansprüche 7 bis 9 auf Weiterbildungen der Anordnung zur Durchführung des Ver­fahrens gerichtet.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt
    • Figur 1 den schematischen Aufbau eines Raster-Laser-Mikroskops
    • Figur 2 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
    • Figur 3 die Zeitabhängigkeit einiger innerhalb der erfindungs­gemäßen Anordnung auftretenden Signale.
  • Bei dem aus IEEE/IRPS bekannten Verfahren wird die Latch-Up-Aus­breitung in CMOS-Bausteinen durch Nachweis der von der Schal­tung emittierten Infrarotstrahlung untersucht. Von besonderer Bedeutung ist hierbei die infolge der elektrischen Aufheizung der Thyristorstrukturen entstehende Wärmestrahlung mit einem Intensitätsmaximum bei λ = 8 bis 10 µm und die durch Rekombi­nation überschüssiger Elektronen-Loch-Paare erzeugte Infrarot­strahlung mit einem Intensitätsmaximum bei λ = 1,1 µm, die vor­zugsweise im Bereich der in Durchlaßrichtung gepolten p-n-Über­gänge auftritt. Um die Latch-Up-Ausbreitung in CM0S-Schaltungen mit hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung in einem modifi­zierten Raster-Laser-Mikroskop untersuchen zu können wird vor­geschlagen:
  • - eine parasitäre Thyristorstruktur der Schaltung gesteuert durch ein Triggersignal periodisch zu zünden,
  • - die Intensität der Rekombinations- und/oder Wärmestrahlung (im folgenden kurz als Infrarotstrahlung bezeichnet) nach­einander an mehreren die Schaltung vorzugsweise rasterför­mig überdeckenden Meßstellen zu registrieren,
  • - an den Meßstellen jeweils festzustellen, innerhalb welcher Zeitspanne τ nach dem Zünden des Latch-Up die Intensität I(t) der Infrarotstrahlung einen vorgegebenen Schwellenwert IO erreicht,
    - jeweils einen die Zeitspanne τ = tS - tO repräsen­tierenden Meßwert aufzuzeichnen, wobei tO den Zeitpunkt des Auftretens des den Latch-Up auslösenden Triggersignals und tS den Zeitpunkt des Erreichens des Schwellenwertes IO bezeichnet
    - und gegebenenfalls ein Bild der Schaltung zu erzeugen, wo­bei die Zeitspanne τ die Helligkeit der den Meßstellen je­weils zugeordneten Bildpunkte bestimmt.
  • Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man bei­spielsweise das aus Scanning Vol. 7 (1985), Seiten 88 bis 96, bekannte Raster-Laser-Mikroskop verwenden, dessen schematischer Aufbau in Figur 1 dargestellt ist. Es umfaßt eine Laserquelle Q (Helium-Neon-Laser), ein Teleskop TE zur Aufweitung des Laser­strahls LA, einen akustooptischen Modulator MO, einen halbdurch­lässigen Spiegel HS, eine aus zwei hochgenauen Galvanometerspie­geln S1 und S2 bestehende Ablenkeinheit, einen Umlenkspiegel US und eine Objektivlinse OL zur Fokussierung des Laserstrahls LA auf die Probe IC, vorzugsweise eine integrierte CM0S-Schaltung. Außerdem ist das Raster-Laser-Mikroskop noch mit einer in Figur 1 nicht näher bezeichneten telezentrischen Optik ausgestattet, die sicherstellt, daß der Laserstrahl LA in der Objektivpupille örtlich ruht und somit nur eine Winkelbewegung mit der Pupille als Drehpunkt ausführt. Unabhängig von der Stellung der um ortho­gonale Achsen drehbaren Galvanometerspiegel S1 und S2 wird so mit immer die volle Öffnung der Objektivlinse OL ausgenutzt, wo­ bei die Strahlfleckgröße auf der Probe IC unabhängig ist vom Ort des Fokus in der Ebene der Probenoberfläche.
  • Die die Position des Laserstrahls LA auf der Probe IC definie­renden Ablenkspannungen werden in einem hochgenauen Rastergene­rator SG erzeugt und in einem Tandemverstärker VTV verstärkt, dessen Ausgangssignale an den Eingängen der den Spiegeln S1 und S2 zugeordneten Ansteuereinheiten AS1 und AS2 anliegen. Zur Er­zeugung eines Auflichtbildes der Probe IC wird die in die Ob­jektivlinse OL rückgestreute und mit Hilfe des halbdurchlässi­gen Spiegels HS ausgekoppelte Strahlung mit einem Photomulti­plier PM nachgewiesen, dessen verstärktes Ausgangssignal die Intensität des Schreibstrahls eines Monitors MO steigert. Dem Monitor MO ist vorzugsweise ein Videoverstärker ZVV vorgeschal­tet, an dessen Eingängen sowohl das Ausgangssignal des Photo­multipliers PM als auch die den Ort des Laserstrahls LA auf der Probe IC repräsentierenden Ausgangssignale des Tandemverstär­kers VTV anliegen. Die Meßdaten (Koordinaten der Meßstelle auf der Probe IC, Intensität der rückgestreuten Strahlung usw.) wer­den üblicherweise in einem dem Monitor MO zugeordneten Bild­speicher BSP abgelegt, um diese nach der Messung darstellen und auswerten zu können.
  • Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Raster-­Laser-Mikroskop zusätzlich noch mit einem in den Strahlengang einbringbaren Umlenkspiegel AS ausgestattet (siehe Figur 2, in der nur die für die Durchführung des Verfahrens wesentlichen Komponenten des Raster-Laser-Mikroskops dargestellt sind), mit dem man die von der jeweiligen Meßstelle ausgehende Infrarot­strahlung IR auskoppelt und einem Detektor DT zuführt. Die Lage der Meßstelle auf der Probenoberfläche wird hierbei mit Hilfe der die Stellung der Spiegel S1 bzw. S2 definierenden Ablenk­spannung des Rastergenerators SG vorgegeben. So liegen die Meß­stellen rasterförmig über die Probenoberfläche verteilt, wenn man die Ansteuereinheiten AS1 und AS2 der Spiegel S1 bzw. S2 mit den in Figur 3f, g dargestellten sägezahnförmigen Signalen beaufschlagt.
  • Die ausgekoppelte Infrarotstrahlung durchläuft einen aus zwei
  • Linsen und einer Lochblende (Blendendurchmesser einige µm) be­stehenden Raumfilter (Unterdrückung der Stör- und Untergrund strahlung) um anschließend mit einer stickstoffgekühlten Ger­manium-Pin-Diode nachgewiesen zu werden. Dem Detektor DT ist ein Komparator CMP nachgeschaltet, in dem man ein die Inten­sität I (t) der Infrarotstrahlung IR repräsentierendes Signal mit einem vorzugsweise einstellbaren Schwellenwert IO vergleicht. Der Komparator CMP gibt immer dann ein Triggersignal an die aus­gangsseitig mit einem Dateneingang des Bildspeichers BSP verbun­dene Sample- and Hold-Schaltung SH ab, wenn die Intensität I(t) den vorgegebenen Schwellenwert IO erreicht.
  • In der Probe IC wird der Latch-Up durch die gepulste Versor­gungsspannung periodisch ausgelöst und unterdrückt. Die Ansteue­rung der Probe IC erfolgt deshalb über einen das Latch-Up-Trig­gersignal erzeugenden Impulsgenerator PG, dessen Steuereingang mit einem den Meßstellenwechsel (Frequenz fAT ≈ 100 Hz - 1kHz) definierenden Signal CLK, beispielsweise dem Internal-Clock-Si­gnal des Rastergenerators SG, beaufschlagt ist. Das Ausgangssi­gnal des Impulsgenerators PG (Latch-Up-Triggersignal, siehe Fi­gur 3a) liegt hierbei auch am Eingang eines Sägezahngenerators RG an, dessen Ausgangsspannung (siehe Figur 3c) in der Sample­and Hold-Schaltung SH solange integriert wird, bis die Intensi­tät I (t) der Infrarotstrahlung IR (siehe Figur 3b) an der je­weiligen Meßstelle den im Komparator CMP vorgegebenen Schwellen­wert IO erreicht (das die Integration beendende Triggersignal des Komparators CMP ist schematisch in Figur 3d dargestellt). Das Ausgangssignal der Sample- and Hold-Schaltung SH (siehe Figur 3e) repräsentiert dann das zwischen dem Auftreten des Latch-Up-Triggersignals (Zeitpunkt tO) und dem Erreichen des Schwellenwertes IO (Zeitpunkt tS) liegende Zeitintervall τ = tS - tO. Der dem Zeitintervall τ entsprechende Meßwert wird anschließend in den Bildspeicher BSP eingelesen, dessen zweiter Eingang gleichzeitig die Koordinaten der jeweiligen Meßstelle vom Rastergenerator SG übernimmt.
  • Nach Beendigung der Messung kann man ein Bild der Probe IC auf dem Monitor MO des Raster-Laser-Mikroskops erzeugen, wobei der das Zeitinterval τ = tS - tO repräsentierende Meßwert die Helligkeit der den Meßstellen jeweils zugeordneten Bildpunkte bestimmt. Linien gleicher Helligkeit zeigen dann den Ausbrei­tungsgrad der Latch-Up-Front zu einem bestimmten Zeitpunkt tS.
  • Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beschriebe­nen Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist es ohne weiteres möglich, eine parasitäre Thyristorstruktur auch durch einen auf einen Latch-Up-empfindlichen Bereich der Schaltung gerichteten Laser- oder Elektronenstrahl zu zünden.
  • Es ist selbstverständlich auch möglich, die ausgekoppelte In­frarotstrahlung mit Hilfe eines wellenlängenabhängigen Strahl­teilers in zwei die Rekombinationsstrahlung und die Wärmestrah­lung repräsentierende Teilstrahlen aufzuspalten und deren In­tensität jeweils in einem für die betreffende Strahlung empfind­lichen Detektor zu messen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Untersuchung der Latch-Up-Ausbreitung in CMOS-­Schaltungen durch Nachweis der von der Schaltung emittierten Infrarotstrahlung (IR), dadurch gekennzeich­net, daß
- der Latch-Up periodisch ausgelöst wird,
- daß die Intensität (I (t)) der Infrarotstrahlung (IR) nach­einander an mehreren Meßstellen registriert wird,
- daß an den Meßstellen jeweils festgestellt wird, innerhalb welcher Zeitspanne (τ) nach dem Auslösen des Latch-Up die Intensität (1 (t)) der Infrarotstrahlung (IR) einen Schwel­lenwert (IO) erreicht
- und daß jeweils ein die Zeitspanne (τ) repräsentierender Meßwert ortsabhängig aufgezeichnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß ein Bild der Schaltung (IC) auf einem Sichtgerät (MO) erzeugt wird, wobei die Zeitspanne (τ) die Helligkeit der den Meßstellen jeweils zugeordneten Bildpunkte bestimmt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Latch-Up durch einen auf die Schaltung (IC) gerichteten Korpuskularstrahl (LA) ausgelöst wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Latch-Up durch ein elek­trisches Triggersignal ausgelöst wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstellen die Schal­tung (IC) rasterförmig überdecken.
6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
- ein Linsensystem (OL) zur Bündelung der von der jeweiligen Meßstelle ausgehenden Infrarotstrahlung (IR),
- eine von einem Rastergenerator (SG) angesteuerte Ablenk­einheit (S1, S2), wobei die Ausgangssignale des Rasterge­nerators (SG) den Ort der jeweiligen Meßstelle innerhalb der Schaltung (IC) definieren,
- eine erste Einrichtung (PG) zur Erzeugung eines den Latch-­Up auslösenden Triggersignals, wobei ein Steuereingang der ersten Einrichtung (PG) mit einem den Meßstellenwechsel definierenden Signal (CLK) beaufschlagt ist,
- einen Detektor (DT) zum Nachweis der Infrafrotstrahlung (IR)
- einem Komparator (CMP),
- eine zweite Einrichtung zur Erzeugung eines die Zeitspanne (τ) zwischen dem Auftreten des Triggersignals und dem Er­reichen eines im Komparator (CMP) vorgegebenen Schwellen­wertes (IO) entsprechenden Meßwerts
- und einer Speichereinheit (BSP).
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­zeichnet, daß die erste Einrichtung aus einer die Schaltung (IC) ansteuernden Impulsgenerator (PG) besteht.
8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge­kennzeichnet, daß die zweite Einrichtung einen eingangsseitig mit dem Triggersignal beaufschlagten Sägezahn­generator (RG) und einen eingangsseitig mit dem Ausgang des Sägezahngenerators (RG) verbundene Sample and Hold-Schaltung (SH) aufweist, wobei der Triggereingang der Sample and Hold-­Schaltung (SH) mit dem Ausgangssignal des Komparators (CMP) beaufschlagt ist.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, ge­kennzeichnet durch einen dem Detektor (DT) vorgelagerten Raumfilter (RF).
EP89110150A 1988-06-08 1989-06-05 Verfahren zur Untersuchung der Latch-Up-Ausbreitung in CMOS-Schaltungen Withdrawn EP0345701A3 (de)

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